JPH0814568B2 - Carbon dioxide sensor - Google Patents

Carbon dioxide sensor

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JPH0814568B2
JPH0814568B2 JP63096038A JP9603888A JPH0814568B2 JP H0814568 B2 JPH0814568 B2 JP H0814568B2 JP 63096038 A JP63096038 A JP 63096038A JP 9603888 A JP9603888 A JP 9603888A JP H0814568 B2 JPH0814568 B2 JP H0814568B2
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layer
carbon dioxide
plate
pair
ion conductive
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徹 小野内
昌志 西口
武司 竹田
聰 関戸
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、施設園芸,環境衛生,防災,医療,等の用
途の炭酸ガス濃度を計測あるいは制御に使用するイオン
伝導体を用いた構造の固体電解質型の炭酸ガスセンサに
関するものである。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid electrolyte having a structure using an ionic conductor used for measuring or controlling the carbon dioxide concentration in applications such as facility horticulture, environmental hygiene, disaster prevention, and medical care. Type carbon dioxide sensor.

従来の技術 近年、空調、農畜産分野を中心に炭酸ガスセンサに対
するニーズが高まり、種々の方式のセンサが開発,実用
化が進められている。その中でも固体電解質型の炭酸ガ
スセンサは、その耐久性,コンパクト,コストの面で多
くの点で赤外線吸収方式の炭酸ガスセンサに比較して優
れている。しかし、センサ構成が複雑で、製造工程で多
くの工数を用し、製造上、多くの課題が残されている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing need for a carbon dioxide gas sensor mainly in the fields of air conditioning and agriculture and livestock, and various types of sensors have been developed and put into practical use. Among them, the solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor is superior to the infrared absorption type carbon dioxide gas sensor in many points in terms of durability, compactness and cost. However, since the sensor structure is complicated, many man-hours are used in the manufacturing process, and many problems remain in manufacturing.

以下、第7図および第8図を参照しながら上述した従
来の炭酸ガスセンサの例について説明する。
An example of the above-described conventional carbon dioxide gas sensor will be described below with reference to FIGS. 7 and 8.

第7図および第8図は、従来の固体電解質型炭酸ガス
センサの構成を示すものである。第7図において、薄板
状のイオン伝導性セラミックス対11は、固体電解質から
なるナトリウムイオン伝導性セラミックスを用いた薄板
状のNASICON板11aと酸素イオン伝導性セラミックスであ
る薄板状イットリアの安定化ジルコニアYSZ板11bとで構
成され、両者は1300℃程度で固相接合されている。NASI
CONの組成はNa1+XZr2SiXP3-XO12、(0≦X≦3)であ
る。さらに、このイオン伝導性セラミックス対11は、両
端に1対の多孔質の電極層12,13を備え、その一方の電
極層12の一部、あるいは全部に炭酸ナトリウム14が付着
されている。ここで、炭酸ナトリウム14が付着されてい
る側を陰極層12と称し、ない側を陽極層13と称す。さら
に、この陰・陽極層には電圧信号取り出し用のリード線
15a,15bが各々、ボンディング部16a,16bで取り付けられ
ている。また、第8図の前記各部分から構成されたガス
感知部1には、片面下部に加熱用ヒータ2を備え、リー
ド線15a,15bに接続したピン5c,5b、および加熱用ヒータ
2から引き出した2本のリード線5a,5bに接続したピン5
c,5dを介して下部の台座4を貫通して固定されている。
リード線15a,15b、およびリード線5a,5bは、それぞれ信
号出力用、および電圧印加用である。
7 and 8 show the structure of a conventional solid electrolyte type carbon dioxide gas sensor. In FIG. 7, a thin plate-shaped ion conductive ceramics pair 11 is a thin plate-shaped NASICON plate 11a using a sodium ion conductive ceramics composed of a solid electrolyte and a thin plate-shaped yttria stabilized zirconia YSZ which is an oxygen ion conductive ceramics. It is composed of a plate 11b and both are solid-phase bonded at about 1300 ° C. NASI
The composition of CON is Na 1 + X Zr 2 Si X P 3-X O 12 , (0 ≦ X ≦ 3). Further, this ion conductive ceramics pair 11 is provided with a pair of porous electrode layers 12 and 13 at both ends, and sodium carbonate 14 is attached to a part or all of the one electrode layer 12. Here, the side to which the sodium carbonate 14 is attached is referred to as the cathode layer 12, and the side without it is referred to as the anode layer 13. In addition, this negative / anode layer has lead wires for extracting voltage signals.
15a and 15b are attached by bonding portions 16a and 16b, respectively. Further, the gas sensing part 1 composed of the above-mentioned parts of FIG. 8 is provided with a heater 2 for heating on one side lower part, and is drawn out from the pins 5c, 5b connected to the lead wires 15a, 15b and the heater 2 for heating. Pin 5 connected to the two lead wires 5a and 5b
It is fixed by penetrating the lower pedestal 4 via c and 5d.
The lead wires 15a and 15b and the lead wires 5a and 5b are for signal output and voltage application, respectively.

プロテクタ3は、内包するガス感知部1,ヒータ2,リー
ド線15a,15b,5a,5bを機械的損傷から保護するととも
に、測定雰囲気と接触を良くするためにステンレス製金
網で構成され、台座6に固定されている。
The protector 3 is made of stainless steel wire mesh to protect the enclosed gas sensing unit 1, heater 2, lead wires 15a, 15b, 5a, 5b from mechanical damage and to improve contact with the measurement atmosphere. It is fixed to.

上記構成において、ガス感知部1は以下の電池を構成
する。すなわち 上記の電池を構成するガス感知部1をヒータ2により
測定温度に加熱すると、上記電池の界面〜で各々以
下の電池反応が生じる。すなわち、 界面 2Na+=2Na+(in NASICON) ………… 界面 2Na+(in NASICON)+O2-(inYSZ)=Na2O………………
この電池全体の全電池反応は以下に総括される。
In the above configuration, the gas sensing unit 1 constitutes the following battery. Ie When the gas sensing unit 1 constituting the above battery is heated to the measurement temperature by the heater 2, the following battery reactions occur at the interfaces between the batteries. That is, Interface 2Na + = 2Na + (in NASICON) ………… Interface 2Na + (in NASICON) + O 2- (inYSZ) = Na 2 O …………
The overall cell reaction of this entire cell is summarized below.

すなわち、 全電池反応 Na2CO3=Na2O+CO2 ………(5) したがって、陰・陽極層間には次式で表わされる起電
力が発生する。
That is, all-cell reaction Na 2 CO 3 = Na 2 O + CO 2 (5) Therefore, an electromotive force represented by the following equation is generated between the negative and positive layers.

ここで、 E:発生起電力、P:雰囲気全圧 R:気体定数、PCO2:雰囲気中の炭酸ガス分圧 F:ファラディ定数、aNa2O:NASICON中のNa2Oの活量 T:絶対温度、aNa2CO3:Na2CO3の活量 式から、発生する起電力Eは雰囲気中の炭酸ガス分
圧の対数に比例する。したがって、この起電力を陰極層
12,陽極層13よりリード線15a,15bを介して取り出すこと
により、雰囲気中の炭酸ガス濃度を電圧信号として電気
的に検出していた。
Here, E: electromotive force, P * : total atmospheric pressure R: gas constant, P CO 2 : carbon dioxide partial pressure in atmosphere F: Faraday constant, a Na 2 O: activity of Na 2 O in NASICON From the activity formula of T: absolute temperature, a Na 2 CO 3 : Na 2 CO 3 , the generated electromotive force E is proportional to the logarithm of the carbon dioxide partial pressure in the atmosphere. Therefore, this electromotive force is applied to the cathode layer.
12, The carbon dioxide concentration in the atmosphere was electrically detected as a voltage signal by taking out from the anode layer 13 via the lead wires 15a and 15b.

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のような構成では以下のような課
題を有していた。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention However, the above configuration has the following problems.

その第一の課題は、NASICON板とYSZ板の接合、および
その接着強度の確保が困難であった。
The first problem was that it was difficult to join the NASICON board and the YSZ board and to secure the adhesive strength.

すなわち、この両板を接合する場合、1200℃以上の高
温を要するため、その界面にイオン伝導性が失なわれた
中間生成物が生成し易すく、上記の電池反応が成立しな
くなる。
That is, when these two plates are joined together, a high temperature of 1200 ° C. or higher is required, so that an intermediate product with a loss of ionic conductivity is easily produced at the interface, and the above battery reaction is not established.

第二の課題は、センサの構成が複雑で製造工数がかか
り、低コストなセンサを実用化することが困難なことで
ある。
The second problem is that the structure of the sensor is complicated, the number of manufacturing steps is increased, and it is difficult to put the sensor into practical use at low cost.

第三の課題は、本センサの検出原理が平衡電圧測定で
あるため、応答性が遅いため、計測に多くの時間を用す
ることである。
The third problem is that since the detection principle of this sensor is the equilibrium voltage measurement, the response is slow, so much time is used for measurement.

本発明は上記課題を解決するもので、構成がシンプル
で製造容易で、かつ応答性にも優れた炭酸ガスセンサを
提供することを目的とするものである。
The present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to provide a carbon dioxide gas sensor having a simple structure, easy manufacture, and excellent responsiveness.

課題を解決するための手段 この目的を達成するための第1の手段の炭酸ガスセン
サは、金属炭酸塩を構成しうる金属イオンに対して導電
性を有するイオン伝導性セラミックス板と酸素イオン伝
導性セラミックス板とのその両板を多孔質の電子伝導性
を有する材料で接合して接合層を形成し、その両端に電
子伝導性を有する1対の陰・陽極層を設けてイオン伝導
性セラミックス対を構成し、前記イオン伝導性セラミッ
クス対の前記酸素イオン伝導性セラミックス板側の電極
層を陽極層とし、前記金属炭酸塩を構成しうる金属イオ
ンに対して導電性を有するイオン伝導性セラミックス板
側の電極層を陰極層とし、前記陰極層の一部あるいは全
部を覆う形状で炭酸ガスと解離平衡を形成する金属炭素
塩層を形成し、前記イオン伝導性セラミックス対の陰・
陽極層形成表面以外の残余部分の一部、あるいは全部を
覆うガス遮断層を設けるとともに、前記陰・陽極層には
1対のリード線を接合して構成したガス感知部と、前記
ガス感知部を測定温度に加熱する加熱部とを備えたもの
である。
Means for Solving the Problems A carbon dioxide gas sensor according to a first means for achieving this object is an ion conductive ceramics plate and an oxygen ion conductive ceramics, which have conductivity with respect to metal ions that can form a metal carbonate. The plate and the both plates are bonded with a porous material having electron conductivity to form a bonding layer, and a pair of negative / anode layers having electron conductivity are provided at both ends thereof to form an ion conductive ceramic pair. The electrode layer on the oxygen ion conductive ceramics plate side of the ion conductive ceramics pair is used as an anode layer, and the ion conductive ceramics plate side is conductive to metal ions that can form the metal carbonate. The electrode layer is used as a cathode layer, and a metal-carbon salt layer that forms a dissociation equilibrium with carbon dioxide in a shape that covers a part or all of the cathode layer is formed. The shadow of
A gas blocking layer is provided to cover a part or all of the remaining portion other than the surface on which the anode layer is formed, and a pair of lead wires is bonded to the negative / anode layer, and the gas sensing section. And a heating unit for heating the measurement temperature to a measurement temperature.

この目的を達成するための第2の手段は、上記手段に
おいて、金属炭酸塩を構成しうる金属イオンに対して導
電性を有するイオン伝導性セラミックス対をイオン伝導
性セラミックス板と、酸素イオン伝導性と電子伝導性を
有する混合伝導性セラミックス板との両板を接合した接
合層とで構成し、かつ、リード線の一部を混合伝導性セ
ラミックス板に埋設させ、前記混合伝導性セラミックス
板を陽極層としたものである。
A second means for achieving this object is the above-mentioned means, in which an ion conductive ceramics pair having conductivity with respect to metal ions capable of forming a metal carbonate is used as an ion conductive ceramics plate and an oxygen ion conductive material. And a mixed conductive ceramics plate having electronic conductivity, and a bonding layer in which both plates are bonded, and a part of the lead wire is embedded in the mixed conductive ceramics plate, and the mixed conductive ceramics plate is an anode. It is a layer.

この目的を達成するための第3の手段は、上記第2の
手段において、イオン伝導性セラミックス対を構成する
接合層に、混合伝導性セラミックス板と同一組成の物質
を混合させたものである。
A third means for achieving this object is that in the second means, a material having the same composition as that of the mixed conductive ceramic plate is mixed with the bonding layer forming the ion conductive ceramic pair.

この目的を達成するための第4の手段は、上記第3の
手段において、金属炭酸塩層にイオン伝導性セラミック
ス板と同一組成の物質を添加させ、かつ金属炭酸塩層に
リード線を埋設させ、前記金属炭酸塩層を陰極層とした
ものである。
A fourth means for achieving this object is the above-mentioned third means, wherein a substance having the same composition as that of the ion conductive ceramics plate is added to the metal carbonate layer, and a lead wire is embedded in the metal carbonate layer. The metal carbonate layer is used as a cathode layer.

この目的を達成するための第5の手段は、上記第4の
手段において、1対のリード線は先端部の線径を拡大変
形させ、前記拡大変形させた先端部を陰・陽極層に埋設
させたものである。
A fifth means for achieving this object is the above-mentioned fourth means, wherein the wire diameter of the tip portion of the pair of lead wires is enlarged and deformed, and the enlarged and deformed tip portion is embedded in the negative / anode layer. It was made.

作用 第1の手段によって、金属炭酸塩を構成しうる金属イ
オンに対して導電性を有するイオン伝導性セラミック板
と酸素イオン伝導性セラミック板との直接の接触を避け
ながら、接合層を電子伝導性の多孔物質で構成すること
によりイオン伝導性のない中間生成物の生成が防止でき
以下の電池反応が進行し、炭酸ガスが検出できる。すな
わち、 第2の手段によって、酸素イオン伝導性セラミックス
板を混合伝導性セラミックス板で置き変えることによ
り、混合伝導性セラミックス板が陽極層も兼ねることが
でき、この板にリード線を埋設することにより、電極層
が1つ省略される。
By the first means, the bonding layer is made to have electronic conductivity while avoiding direct contact between the ion conductive ceramic plate and the oxygen ion conductive ceramic plate having conductivity with respect to metal ions capable of forming metal carbonate. The use of the porous material of 1) can prevent the generation of an intermediate product having no ion conductivity, and the following battery reaction can proceed to detect carbon dioxide gas. That is, By replacing the oxygen ion conductive ceramics plate with the mixed conductive ceramics plate by the second means, the mixed conductive ceramics plate can also serve as the anode layer. By embedding the lead wire in this plate, the electrode can be formed. One layer is omitted.

第3の手段により、接合層に混合伝導性セラミック板
と同一組成の物質を添加することにより、酸素イオン伝
導性を接合層に付与することができ、以下の陽極反応を
スムーズに進行させることができ、応答性が速くなる。
すなわち、 第4の手段により、金属炭酸塩にイオン伝導性セラミ
ックス板と同一組成の物質が均一に分散されているため
以下の陰極反応で生じた金属イオンのイオン伝導性セラ
ミック層への拡散が促進され、応答性の向上がはかれ
る。さらに、金属炭酸塩層にリード線を埋設されている
ため、金属炭酸塩層が陰極層も兼ね電極層が省略され
る。
By the third means, oxygen ion conductivity can be imparted to the bonding layer by adding a substance having the same composition as that of the mixed conductive ceramic plate to the bonding layer, and the following anodic reaction can smoothly proceed. It is possible and the responsiveness becomes faster.
That is, By the fourth means, since the substance having the same composition as that of the ion conductive ceramic plate is uniformly dispersed in the metal carbonate, diffusion of metal ions generated by the following cathode reaction into the ion conductive ceramic layer is promoted, The responsiveness is improved. Furthermore, since the lead wire is embedded in the metal carbonate layer, the metal carbonate layer also serves as the cathode layer and the electrode layer is omitted.

第5図の手段により、リード線は、その先端を拡大変
形させて、それぞれ、混合伝導性セラミックス板、およ
び金属炭酸塩層に埋設されており、1リード線の接着強
度を向上できる。
By the means shown in FIG. 5, the lead wires are expanded and deformed at their tips to be embedded in the mixed conductive ceramics plate and the metal carbonate layer, respectively, so that the adhesive strength of one lead wire can be improved.

実施例 以下、本発明の第1の実施例について第1図にもとづ
いて説明する。
Example Hereinafter, a first example of the present invention will be described with reference to FIG.

第1図は本発明の第1の一実施例の炭酸ガスセンサの
ガス感知部の構成を示すものである。なお、従来例と同
一部分には同一番号を付けて説明は省略する。第1図に
おいて、ナトリウムイオン伝導性セラミックスを用いた
薄板状のNASICON板11aと酸素イオン伝導性セラミックス
である薄板状のイットリア安定性ジルコニアYSZ板11bと
の間の接合層17は無機バインダー入りの金系の導電ペー
ストで、NASICON板11aとYSZ板11bの間に挿入し、150℃
で15分間乾燥後、900℃で15分焼成し、NASICON板11aとY
SZ板11bを接合している。NASICONの組成は、Na1+XZr2Si
xP3-XO12、(0≦X≦3)である。また、ガス遮断層18
は低融点ガラス系の絶縁ペーストで構成され、150℃で1
0分乾燥後、550℃で10分焼成し、接合層17とNASICON板1
1aおよびYSZ層11bとの接合面を測定雰囲気から遮断する
よう被覆している。
FIG. 1 shows the structure of a gas sensing portion of a carbon dioxide gas sensor according to a first embodiment of the present invention. The same parts as those of the conventional example are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. In FIG. 1, a bonding layer 17 between a thin NASICON plate 11a made of sodium ion conductive ceramics and a thin yttria-stabilized zirconia YSZ plate 11b made of oxygen ion conductive ceramics is a metal containing an inorganic binder. With a series of conductive paste, insert it between the NASICON plate 11a and the YSZ plate 11b, 150 ℃
After drying for 15 minutes at 900 ℃, bake for 15 minutes, NASICON board 11a and Y
The SZ plate 11b is joined. The composition of NASICON is Na 1 + X Zr 2 Si
x P 3−X O 12 , (0 ≦ X ≦ 3). Also, the gas barrier layer 18
Is composed of low melting point glass-based insulation paste,
After drying for 0 minutes, baking at 550 ° C for 10 minutes to bond layer 17 and NASICON plate 1
The joint surface between 1a and the YSZ layer 11b is covered so as to be shielded from the measurement atmosphere.

以上のように構成された炭酸ガスセンサについて以
下、その動作について説明する。
The operation of the carbon dioxide sensor configured as described above will be described below.

上記構成において、第8図に示すヒータ2によりガス
感知部1を測定温度に加熱すると、炭酸ナトリウム14は
測定雰囲気中の炭酸ガスと解離平衡し、陰極層13との界
面で以下の反応が起き、 雰囲気中の炭酸ガス濃度に応じて発生したナトリウム
イオンNa+はNASICON板11a中を接合層17へ拡散してい
く。一方、陽極層12と接した雰囲気中の酸素は陽極層12
の界面で以下の反応が起き、 O2+2e-=O2- 生成した酸素イオンはYSZ板11b中を接合層17へ拡散
し、さらに、接合層17中の気孔中を拡散し、NASICON板1
1aと接合層17との界面に到着し、以下の電池反応が生じ
る。
In the above structure, when the gas sensing portion 1 is heated to the measurement temperature by the heater 2 shown in FIG. 8, sodium carbonate 14 dissociates and equilibrates with carbon dioxide gas in the measurement atmosphere, and the following reaction occurs at the interface with the cathode layer 13. , Sodium ions Na + generated according to the carbon dioxide concentration in the atmosphere diffuse into the bonding layer 17 in the NASICON plate 11a. On the other hand, oxygen in the atmosphere in contact with the anode layer 12 is
The following reactions occur at the interface of O 2 + 2e = O 2 − and the generated oxygen ions diffuse into the bonding layer 17 in the YSZ plate 11b and further into the pores in the bonding layer 17 to form the NASICON plate 1
After reaching the interface between 1a and the bonding layer 17, the following battery reaction occurs.

2Na++O2-=Na2O したがって、ガス感知部1では、従来例と同様全電池
反応5が成立する。したがって、従来例と同様に、測定
雰囲気中の炭酸ガス濃度の対数に比例した起電力が陰・
陽極層内に発生し、その起電力を電気的に検出すること
により測定雰囲気中の炭酸ガス濃度を測定できる。
2Na + + O 2 − = Na 2 O Therefore, in the gas sensing unit 1, the whole battery reaction 5 is established as in the conventional example. Therefore, as in the conventional example, the electromotive force proportional to the logarithm of the carbon dioxide concentration in the measurement atmosphere is negative.
The carbon dioxide concentration in the measurement atmosphere can be measured by electrically detecting the electromotive force generated in the anode layer.

また、ガス遮断層18により接合層17は判定雰囲気と遮
断されているため、接合層内の酸素分圧を雰囲気中の酸
素分圧と一定の関係を保持され、測定雰囲気中の水蒸気
等の干渉ガスの影きょうを受けない。
Further, since the bonding layer 17 is shielded from the judgment atmosphere by the gas blocking layer 18, the oxygen partial pressure in the bonding layer is kept constant with the oxygen partial pressure in the atmosphere, and the interference of water vapor or the like in the measurement atmosphere. Not affected by gas.

以上のように、金属炭酸塩を構成しうる金属イオンに
対して導電性を有するイオン伝導性セラミックス対に導
電性ペーストで構成した接合層を介在させることによ
り、1200℃以上の高温でしか接合不可能であった、イオ
ン伝導性セラミック層と酸素イオン伝導性セラミック層
同志を900℃という比較的低温で、しかも、それらの接
合面にイオン伝導を妨げるような中間生成物の生成を防
止可能になり、製造容易な炭酸ガスセンサを提供でき
る。
As described above, by interposing the bonding layer composed of the conductive paste on the ion conductive ceramic pair having conductivity with respect to the metal ions capable of forming the metal carbonate, the bonding can be performed only at a high temperature of 1200 ° C or higher. It was possible to prevent the formation of intermediate products that interfere with ionic conduction at the joint surface between the ion conductive ceramic layer and the oxygen ion conductive ceramic layer at a relatively low temperature of 900 ° C. A carbon dioxide sensor that is easy to manufacture can be provided.

以下、本発明の第2の一実施例について、第2図にも
とづいて説明する。第2図は本発明の第2の一実施例の
炭酸ガスセンサのガス感知部の構成断面を示す。なお、
本発明の第一の実施例と同一の部分には同一番号を付け
て説明は省略する。第2図において、薄板状のNASICON
板11aのその接合層17の反対面に固相接着されている混
合伝導性セラミックス板19は、測定温度範囲、すなわ
ち、400℃〜600℃において、その電子伝導度の温度依存
性が少ない混合伝導性セラミックス、すなわち、La0.5S
r0.5CoO3 35mol%+SrTiO3 65mol%の混合物を板状に
形成し、1200℃程度で焼成した緻密な焼形体で形成され
ていて、さらに、混合伝導性セラミック板19には、Au.
リード線20aが埋め込まれている。
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 2 is a sectional view showing the structure of the gas sensing portion of the carbon dioxide sensor according to the second embodiment of the present invention. In addition,
The same parts as those of the first embodiment of the present invention are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. In Fig. 2, thin plate NASICON
The mixed conductive ceramics plate 19 that is solid-phase bonded to the opposite surface of the bonding layer 17 of the plate 11a has a mixed conductivity having a small temperature dependence of its electron conductivity in the measurement temperature range, that is, 400 ° C to 600 ° C. Ceramics, ie La 0.5 S
A mixture of r 0.5 CoO 3 35 mol% + SrTiO 3 65 mol% is formed into a plate shape and is formed into a dense fired body that is fired at about 1200 ° C. Further, the mixed conductive ceramic plate 19 is formed of Au.
The lead wire 20a is embedded.

以上のように構成された炭酸ガスセンサの動作の説明
であるが、本発明の第1の一実施例と同様なので省略す
る。
The operation of the carbon dioxide gas sensor configured as described above will be described, but the description is omitted because it is the same as that of the first embodiment of the present invention.

以上のように、酸素イオン伝導性セラミック板の代わ
りに、酸素イオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混合
伝導性セラミック層を用いることにより陽極層も兼ねる
ことができ、センサ構成が簡素化され、製造容易な炭酸
ガスセンサを提供できる。
As described above, instead of the oxygen ion conductive ceramic plate, it is possible to double as the anode layer by using the mixed conductive ceramic layer having both oxygen ion conductivity and electron conductivity, and the sensor configuration is simplified, A carbon dioxide sensor that is easy to manufacture can be provided.

以下、本発明の第3の一実施例について、第3図にも
とづいて説明する。第3図は本発明の第3の一実施例の
炭酸ガスセンサのガス感知部の構成断面を示す。なお本
発明の第2の一実施例と同一部分には同一符号を付けて
説明は省略する。
The third embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 3 is a sectional view showing the structure of a gas sensing portion of a carbon dioxide gas sensor according to a third embodiment of the present invention. The same parts as those in the second embodiment of the present invention are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

第3図において、薄板状のNASICON板11aと混合伝導性
セラミックス板19を接合している接合層21は、有機バイ
ンダ入りのAu系の導電ペーストに、混合伝導性セラミッ
クLa0.5Sr0.5CoO3粉末を2〜3mol%添加したもの、NASI
CON板11aと混合伝導性セラミック板19との間に介在さ
せ、150℃で15分乾燥後、900℃で10分焼成して固着させ
形成したものである。
In FIG. 3, the joining layer 21 joining the thin NASICON plate 11a and the mixed conductive ceramics plate 19 is composed of Au-based conductive paste containing an organic binder and mixed conductive ceramics La 0.5 Sr 0.5 CoO 3 powder. With 2-3 mol% added, NASI
It is formed by being interposed between the CON plate 11a and the mixed conductive ceramic plate 19, dried at 150 ° C. for 15 minutes, and then baked at 900 ° C. for 10 minutes to be fixed.

以上のように構成された炭酸ガスセンサの動作の説明
であるが、本発明の第2の実施例と基本的には同様なの
で詳細は省略する。
The operation of the carbon dioxide gas sensor configured as described above is described, but the details are omitted because it is basically the same as the second embodiment of the present invention.

上記構成において、接合層21中に混合伝導性セラミッ
ク板19と同一組成のセラミック粉末が均一に分散されて
いるため、混合伝導性セラミック板内を拡散してきた酸
素イオンは、接合層内も、酸素ガス拡散を伴わず、混合
伝導性セラミック粒間を酸素イオンのままで拡散して、
NASICON板11aと接合層21との界面に到達し、NASICON板
内を拡散してきたナトリウムイオンと反応するため、接
合層内の酸素のガス拡散を伴わず、全電池反応が速く進
行する。
In the above structure, since the ceramic powder having the same composition as the mixed conductive ceramic plate 19 is uniformly dispersed in the bonding layer 21, the oxygen ions diffused in the mixed conductive ceramic plate are oxygen in the bonding layer. Oxygen ions are diffused between mixed conductive ceramic particles without gas diffusion,
Reaching the interface between the NASICON plate 11a and the bonding layer 21 and reacting with the sodium ions that have diffused in the NASICON plate, the reaction of all cells proceeds rapidly without gas diffusion of oxygen in the bonding layer.

以上のように、接合層に混合伝導性セラミック層と同
一組成のセラミック粉末を添加することにより、接合層
内の酸素イオン拡散速度を向上させ、センサの応答性を
向上させることができ、さらに、接合層にセラミックス
層と反応活性な低融点ガラス系のバインダの代わりに有
機系バインダを用いても、化学的に安定で強固な接合層
が形成できる。
As described above, by adding the ceramic powder having the same composition as the mixed conductive ceramic layer to the bonding layer, the oxygen ion diffusion rate in the bonding layer can be improved, and the responsiveness of the sensor can be improved. Even if an organic binder is used for the bonding layer instead of the low melting point glass-based binder reactive with the ceramic layer, a chemically stable and strong bonding layer can be formed.

以下、本発明の第4の一実施例について、第4図にも
とづいて説明する。第4図は本発明の第4の一実施例の
炭酸ガスセンサのガス感知部の構成断面を示す。なお、
本発明の第3の一実施例と同一部分には同一符号を付け
て説明は省略する。
Hereinafter, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a sectional view showing the configuration of the gas sensing portion of the carbon dioxide sensor according to the fourth embodiment of the present invention. In addition,
The same parts as those in the third embodiment of the present invention are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

第4図において、薄板状のNASICON板11aの接合層21と
逆の端面に接している。金属炭酸塩層22は、炭酸ナトリ
ウムの飽和溶液に60ミクロン以下のNASICON粉末を20wt
%添加し、ペースト状にしたものをNASICON板の一端に
付着し、リード線20bを埋め込み、150℃で30分乾燥し固
着させたものである。
In FIG. 4, the thin NASICON plate 11a is in contact with the end surface opposite to the bonding layer 21. The metal carbonate layer 22 is a saturated solution of sodium carbonate containing 20 wt.
%, Added in paste form to one end of a NASICON plate, embedded with lead wire 20b, dried at 150 ° C. for 30 minutes and fixed.

以上のように構成された炭酸ガスセンサの動作の説明
であるが、本発明の第3の実施例と基本的には同様なの
で詳細は省略する。
The operation of the carbon dioxide sensor configured as described above will be described. However, since it is basically the same as that of the third embodiment of the present invention, its details are omitted.

上記構成において、雰囲気中の炭酸ガスと金属炭酸塩
層22内の炭酸ナトリウムとの解離平衡反応により生じた
ナトリウムイオンが、金属炭酸塩層22内に均一に分散さ
れた、NASICON粒間を拡散するため、電池反応 が、金属炭酸塩層22全体で均一に進行し、反応速度が向
上する。
In the above structure, sodium ions generated by the dissociation equilibrium reaction between carbon dioxide in the atmosphere and sodium carbonate in the metal carbonate layer 22 are uniformly dispersed in the metal carbonate layer 22, and diffuse between NASICON grains. Because of the battery reaction However, the reaction proceeds uniformly throughout the metal carbonate layer 22 and the reaction rate is improved.

以上のように、金属炭酸塩層に、イオン伝導性セラミ
ック層と同一組成のセラミック粉末を添加することによ
り、金属炭酸塩層内のナトリウムイオンの拡散速度を向
上させ、センサの応答速度を向上させることができる。
As described above, by adding the ceramic powder having the same composition as the ion conductive ceramic layer to the metal carbonate layer, the diffusion rate of sodium ions in the metal carbonate layer is improved and the response speed of the sensor is improved. be able to.

以下、本発明の第5の一実施例について、第5図およ
び第6図にもとづいて説明する。第5図は本発明の第5
の一実施例の炭酸ガスセンサのガス感知部の構成断面を
示す。なお、本発明の第4の一実施例と同一部分には同
一符号を付けて説明は省略する。
A fifth embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows the fifth aspect of the present invention.
2 is a cross-sectional view showing the configuration of a gas sensing part of a carbon dioxide gas sensor according to one embodiment. The same parts as those in the fourth embodiment of the present invention are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

第5図において、リード線23a,23bは、0.1φのAuワイ
ヤで構成され、その先端を第6図のリード線の拡大図の
如く、先端を末広がりに拡大変形し、各々、金属炭酸塩
層22,および混合伝導性セラミック板19に埋設されてい
る。
In FIG. 5, the lead wires 23a and 23b are made of 0.1φ Au wire, and the tip ends are enlarged and deformed as shown in the enlarged view of the lead wire in FIG. 22, and embedded in the mixed conductive ceramic plate 19.

以上のように構成された炭酸ガスセンサの動作の説明
であるが、本発明の第4の一実施例と同様なので省略す
る。
The operation of the carbon dioxide gas sensor configured as described above will be described, but the description thereof will be omitted because it is similar to the fourth embodiment of the present invention.

以上のように、リード線の先端を変形することにより
リード線を埋設した層との接触面積が増大し、電気的接
触抵抗も軽減され、かつ、接着強度も向上する。
As described above, by deforming the tip of the lead wire, the contact area with the layer in which the lead wire is embedded is increased, the electrical contact resistance is reduced, and the adhesive strength is improved.

発明の効果 以上のように、本発明によれば以下の効果が得られ
る。
Effects of the Invention As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

その第一は、イオン伝導性セラミックス対に電子伝導
性の伝導ペーストで構成した接合層を介在させることに
より、従来1200℃以上の高温で処理するしか不可能であ
ったイオン伝導性セラミック板と、酸素イオン伝導性セ
ラミック板同志の接合を、900℃という比較的低温で接
合で、きしかも、それらの接合面にイオン伝導を妨げる
ような中間生成物の生成も避けることができ、製造容易
な炭酸ガスセンサを得ることができる。
First, by interposing a bonding layer made of an electronically conductive conductive paste on the pair of ion conductive ceramics, an ion conductive ceramic plate that could only be processed at a high temperature of 1200 ° C or higher, and The bonding of the oxygen ion conductive ceramic plates can be performed at a relatively low temperature of 900 ° C, and it is possible to avoid the formation of intermediate products that interfere with the ionic conduction on the bonding surfaces, making it easy to manufacture carbon dioxide. A gas sensor can be obtained.

その第二は、酸素イオン伝導性セラミック板の代わり
に酸素イオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混合伝導
性セラミックス板を用いることにより、陽極層も兼ねる
ことができ、センサ構成が簡素化される。
Secondly, by using a mixed conductive ceramics plate having both oxygen ion conductivity and electronic conductivity instead of the oxygen ion conductive ceramic plate, it can also serve as the anode layer and the sensor structure can be simplified. .

その第三は、接合層に混合伝導性セラミック板と同一
組成のセラミック粉末を添加することにより、接合層内
の酸素イオンの拡散速度を向上させ、応答性が改善され
る。
Third, by adding a ceramic powder having the same composition as that of the mixed conductive ceramic plate to the bonding layer, the diffusion rate of oxygen ions in the bonding layer is improved and the responsiveness is improved.

さらにその第4は、酸素イオン伝導性セラミック板の
代わりに酸素イオン伝導性と電子伝導性を兼ね備えた混
合伝導性セラミックス板を用いており、陽極層を兼ねる
とともに、接合層に混合伝導性セラミックス板と同一組
成のセラミック粉末を添加して接合層を構成して、かつ
金属炭酸塩層にイオン伝導性セラミック粉末を添加して
いるため、従来例の二つの電極層が省略でき構成が簡単
になるとともに、応答性の優れた炭酸ガスセンサが得ら
れる。
Fourthly, instead of the oxygen ion conductive ceramic plate, a mixed conductive ceramic plate having both oxygen ion conductivity and electron conductivity is used, and the mixed conductive ceramic plate also serves as the anode layer and the bonding layer. Since the bonding layer is formed by adding the ceramic powder having the same composition as the above, and the ion conductive ceramic powder is added to the metal carbonate layer, the two electrode layers of the conventional example can be omitted and the structure is simplified. At the same time, a carbon dioxide sensor having excellent responsiveness can be obtained.

また、その第5は上記構成に加えて、リード線の埋設
する先端部を拡大変形していることにより、被埋設層と
の接着性が向上し、かつ、金属電極を兼ねることがで
き、センサ構成がシンプルで、機械的強度の高い製造容
易な炭酸ガスセンサを得ることができる。
In addition, in addition to the above-mentioned configuration, the fifth is that the tip portion in which the lead wire is embedded is enlarged and deformed, so that the adhesiveness with the embedded layer is improved and it can also serve as a metal electrode. It is possible to obtain a carbon dioxide sensor having a simple structure and high mechanical strength and easy to manufacture.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図は本発明の第1の一実施例における炭酸ガスセン
サのガス感知部の構成を示す縦断面図、第2図は本発明
の第2の一実施例における炭酸ガスセンサのガス感知部
の構成を示す縦断面図、第3図は本発明の第3の一実施
例における炭酸ガスセンサのガス感知部を示す縦断面
図、第4図は本発明の第4の一実施例における炭酸ガス
センサのガス感知部を示す縦断面図、第5図は本発明の
第5の一実施例における炭酸ガスセンサのガス感知部を
示す縦断面図、第6図は本発明の第5の一実施例におけ
る炭酸ガスセンサのガス感知部の陰・陽極に接続するリ
ード線先端部の拡大図、第7図は従来の炭酸ガスセンサ
のガス感知部を示す縦断面図、第8図は従来の炭酸ガス
センサの構成を示す縦断面図である。 1……ガス感知部、2……ヒータ、3……プロテクタ、
4……台座、5a,5b……リード線、11……イオン伝導性
セラミックス対、11a……NASICON板、11b……YSZ板、12
……陰極層、13……陽極層、14……炭酸ナトリウム、15
a,15b……リード線、16a,16b……ボンディング部、17…
…接合層、18……ガス遮断層、19……混合伝導性セラミ
ック板、20a,20b……リード線、21……接合層、22……
金属炭酸塩層、23a,23b……リード線。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing the configuration of a gas sensing portion of a carbon dioxide gas sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a configuration of a gas sensing portion of a carbon dioxide gas sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. 3 is a vertical sectional view showing a gas sensing portion of a carbon dioxide sensor according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a gas of a carbon dioxide sensor according to a fourth embodiment of the present invention. FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing the sensing unit, FIG. 5 is a vertical cross-sectional view showing the gas sensing unit of the carbon dioxide sensor according to the fifth embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a carbon dioxide sensor according to the fifth embodiment of the present invention. Fig. 7 is an enlarged view of the tip of the lead wire connected to the negative and positive electrodes of the gas sensing part of Fig. 7, Fig. 7 is a vertical cross-sectional view showing the gas sensing part of the conventional carbon dioxide gas sensor, and Fig. 8 is a longitudinal section showing the structure of the conventional carbon dioxide gas sensor. It is a side view. 1 ... Gas detector, 2 ... Heater, 3 ... Protector,
4 ... Pedestal, 5a, 5b ... Lead wire, 11 ... Ion conductive ceramic pair, 11a ... NASICON plate, 11b ... YSZ plate, 12
...... Cathode layer, 13 …… Anode layer, 14 …… Sodium carbonate, 15
a, 15b …… Lead wire, 16a, 16b …… Bonding part, 17…
… Bonding layer, 18 …… Gas barrier layer, 19 …… Mixed conductive ceramic plate, 20a, 20b …… Lead wire, 21 …… Bonding layer, 22 ……
Metal carbonate layer, 23a, 23b ... Lead wire.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01N 27/46 ZAB (72)発明者 竹田 武司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 関戸 聰 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification number Internal reference number FI Technical indication location G01N 27/46 ZAB (72) Inventor Takeshi Takeda 1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Satoshi Sekido 1006 Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】金属炭酸塩を構成しうる金属イオンに対し
て導電性を有するイオン伝導性セラミックス板と酸素イ
オン伝導性セラミックス板とその両板を多孔質の電子伝
導性を有する材料で接合して接合層を形成し、その両側
に電子伝導性を有する1対の電極層を設けてイオン伝導
性セラミックス対を構成し、前記イオン伝導性セラミッ
クス対の前記酸素イオン伝導性セラミックス板側の電極
層を陽極層とし、前記金属炭酸塩を構成しうる金属イオ
ンに対して導電性を有するイオン伝導性セラミックス板
側の電極層を陰極層とし、前記陰極層の一部あるいは全
部を覆う形状で炭酸ガス解離平衡を形成する金属炭酸塩
層を形成し、前記イオン伝導性セラミックス対の陰・陽
極層形成表面以外の残余部分の一部、あるいは全部を覆
う表面にガス遮断層を設けるとともに前記陰・陽極層に
は一対のリード線を接合して構成したガス感知部と、前
記ガス感知部を測定温度に加熱する加熱部とを備えてな
る炭酸ガスセンサ。
1. An ion-conducting ceramics plate having conductivity to metal ions that can form a metal carbonate, an oxygen-ion conducting ceramics plate, and both plates are joined with a material having a porous electron conductivity. To form a bonding layer, and a pair of electrode layers having electronic conductivity are provided on both sides of the bonding layer to form an ion conductive ceramic pair, and the electrode layer on the oxygen ion conductive ceramic plate side of the ion conductive ceramic pair is formed. As an anode layer, the electrode layer on the side of the ion conductive ceramics plate having conductivity to metal ions that can form the metal carbonate as a cathode layer, and a carbon dioxide gas in a shape that covers a part or all of the cathode layer. A metal carbonate layer that forms dissociation equilibrium is formed, and gas is blocked on the surface that covers part or all of the remaining part of the ion conductive ceramic pair other than the negative / anode layer forming surface. Wherein the gas sensing portion which is formed by joining a pair of lead wires to the negative-anode layer, the carbon dioxide sensor comprising a heating unit for heating the gas sensing portion to the measured temperature is provided with the.
【請求項2】金属炭酸塩を構成しうる金属イオンに対し
て導電性を有するイオン伝導性セラミックス対をイオン
伝導性セラミックス板と、酸素イオン伝導性と電子伝導
性を有する混合伝導性セラミックス板との両板を接合し
た接合層とで構成し、かつ、リード線の一部を混合伝導
性セラミックス板に埋設させ前記混合伝導性セラミック
ス板を陽極層とした特許請求の範囲第1項記載の炭酸ガ
スセンサ。
2. An ion-conducting ceramics plate having an ion-conducting ceramics pair having conductivity with respect to metal ions capable of forming a metal carbonate, and a mixed-conducting ceramics plate having oxygen ion conductivity and electronic conductivity. 2. The carbonic acid according to claim 1, wherein the carbon dioxide is composed of a bonding layer formed by bonding both plates, and part of the lead wire is embedded in the mixed conductive ceramics plate to form the mixed conductive ceramics plate as an anode layer. Gas sensor.
【請求項3】イオン伝導性セラミックス対を構成する接
合層に混合伝導性セラミックス板と同一組成の物質を混
合させた特許請求の範囲第2項記載の炭酸ガスセンサ。
3. The carbon dioxide gas sensor according to claim 2, wherein a material having the same composition as that of the mixed conductive ceramics plate is mixed in the bonding layer forming the pair of ion conductive ceramics.
【請求項4】金属炭酸塩層にイオン伝導性セラミックス
板と同一組成の物質を添加させ、かつ金属炭酸塩層にリ
ード線を埋設させ、前記金属炭酸塩層を陰極層とした特
許請求の範囲第3項記載の炭酸ガスセンサ。
4. A metal carbonate layer containing a substance having the same composition as that of the ion conductive ceramics plate, and a lead wire being embedded in the metal carbonate layer, wherein the metal carbonate layer serves as a cathode layer. The carbon dioxide sensor according to item 3.
【請求項5】1対のリード線は先端部の線径を拡大変形
させ、前記拡大変形させた先端部を陰・陽極層に埋設さ
せた特許請求の範囲第4項記載の炭酸ガスセンサ。
5. The carbon dioxide gas sensor according to claim 4, wherein the pair of lead wires has a wire diameter of a tip portion enlarged and deformed, and the enlarged and deformed tip portion is embedded in the negative / anode layer.
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